3차원 인체계측 데이터 분석을 통한 근전도 전극 위치 설계 및 근전도 측정의류 개발

Abstract

본 연구에서 차원 인체계측 데이터를 3 분석하여 전극의 위치를 결정하고 이를 통해 정확한 근전도 신호(Electromyographic Signal)를 측정할 수 있는 근전도 측정의류를 개발하였으며, 개발된 의류를 통해 유효한 근전도 신호를 측정할 수 있음을 확인하였다. 본 연구 결과를 바탕으로 3차원 인체계측 데이터를 활용한 근전도 측정의류 개발 시 필요한 설계 프로세스를 제안하였다. 근전도 측정의류 설계를 위해 20~30대 남성을 대상으로 승모근, 대흉근, 광배근, 삼각근과 이두근의 5개 근전도 전극점과 18개의 인체계측점을 신체에 마킹한 후 3차원 인체스캔 데이터를 획득하였다. 근전도 전극 위치를 설계하기 위해 높이, 길이, 둘레, 너비 등의 24개 인체계측 항목과 근전도 전극점에서 인체계측점간의 체표길이, 수직거리 등의 19개 항목을 3차원 계측하였다. 3차원 인체계측 데이터의 분석을 통해 전극 위치를 설계하고, 근전도 측정의류 원형 제도법을 도출하였다. 근전도 측정의류 원형은 4종의 교육용 남성 원형 제도법을 응용하여 여유분을 제거한 원형을 설계하였으며, 가상착의 외관 및 의복압 측정을 통해 외관 및 밀착성이 가장 우수한 원형을 활용하였다. 패턴 설계 시 20~30대 남성 평균 인체치수를 참고하여 키 176 cm, 가슴둘레 100 cm, 허리둘레 83 cm의 치수를 사용하였으며, 설계된 근전도 측정의류 원형은 소재의 신장률을 고려하여 패턴을 축소하였고, 인체 활동성과 밀착성을 고려하여 의복을 설계하였다. 본 연구에서 제작한 근전도 측정의류는 실험대상자에게 착용시킨 후 일회용전극 및 근전도 측정의류를 통해 측정된 근전도 신호를 비교분석함으로써 타당도를 검증하였다. 이를 통해 3차원 인체계측 데이터 분석을 통한 근전도 측정의류 개발의 프로세스를 도출하였다. 본 연구의 결과는 다음과 같다. 첫째, 근전도 전극 위치를 설계하기 위해 승모근, 대흉근, 광배근, 삼각근과 이두근의 각 근전도 전극점과 인접한 인체계측점과의 거리를 키, 가슴둘레, 허리둘레, 등길이, 어깨너비 등의 신체크기 매개변수와의 관계를 분석하고, 위치를 도출하였다. 그 결과 승모근은 어깨길이를 사용하여 목뒤점과 어깨가쪽점으로부터 위치가 결정되었다. 대흉근은 앞중심길이를 이용하여 허리앞점으로부터 위치를 설계하고, 광배근은 등길이를 이용하여 목뒤점으로부터 위치를 설계하였다 삼각근과 이두근은 신체크기 . 매개변수에 영향을 받지 않는 것으로 나타나 3차원 인체계측 데이터의 평균값을 사용하여 위치를 설계하였다. 둘째, 근전도 전극점이 포함된 남성 상의 원형을 설계하기 위해 교육용 상의원형 4종을 가상착의하여 외관 및 의복압 등을 비교 분석하였다. 가슴 및 허리부위의 밀착성이 더 우수한 원형을 응용하여 여유분이 없는 밀착원형을 설계하였으며, 소재의 물리적 특성을 반영하여 패턴 축소를 진행하였다. 셋째, 축소된 근전도 측정의류 원형을 기반으로 인체의 활동성과 밀착성을 높인 패턴을 설계하였다. 근전도 신호 측정을 위한 전극은 전도성 시트를 사용하여한 근육 당 두 개의 전극을 부착하였으며, ∅ 20 mm의 원형 전극을 30 mm의 간격으로 설계하였다. 넷째, 근전도 측정의류를 통해 유효한 신호를 측정할 수 있는 것으로 나타났다. 근전도 측정의류를 통해 측정된 근전도 신호를 분석한 결과 대흉근, 광배근에서 가슴둘레, 허리둘레, 상드롭(가슴둘레-허리둘레)와 유의한 상관성을 보였으며, 삼각근은 위팔둘레와 유의한 상관관계를 나타냈다. 근전도 측정의류 착용 시 대흉근은 가슴둘레가 클수록, 광배근은 허리둘레가 클수록 그리고 삼각근은 위팔둘레가 클수록 유효한 신호를 측정할 수 있는 것으로 확인되었다. 이를 체형과 함께 분석한 결과 가슴둘레가 크고, 가슴둘레와 허리둘레의 차이인 상드롭 값이 크지 않은 허리가 굵은 체형이 정확한 신호 측정이 가능한 것으로 나타났다. 본 연구를 통해 3차원 인체계측 데이터를 활용하여 근전도 측정의류를 개발할 때 필요한 설계 프로세스를 정립하였다. 1) 근전도 신호를 측정하고자 하는 근육점에 대한 3차원 인체계측 데이터를 획득한다. 2) 획득한 3차원 인체계측 데이터는 신체크기 매개변수와의 상관분석 및 회귀분석을 통해 근전도 전극의 위치를 설계한다. 3) 선정한 근육의 위치에 따라 상의 및 하의의 밀착 원형을 설계하고, 소재 신장률에 따라 패턴을 축소한다. 4) 전극의 위치와 인체의 밀착성 및 활동성을 고려하여 근전도 측정의류를 설계한다. 향후 본 연구에서 선정한 5개의 근육뿐만 아니라 타겟 근육의 수를 확장할 경우 근전도 측정의류를 개발하는 표준 설계 프로세스로 사용될 수 있을 것으로 기대된다.;This study analyzed 3D measurement data to determine the location of electrodes and developed EMG measuring clothing that can accurately measure electromyographic signals (EMG signals), conforming that effective EMG signals could be measured through these clothes. Based on the results, this study proposed a necessary design process to develop EMG measuring clothing using 3D measurement data. To design the EMG measuring clothing, 3D human body scan data were obtained after marking the following points on the body of men in their 20s and 30s: 5 EMG electrode attached points and 18 anthropometric points of the upper trapezius, pectoralis major, latissimus dorsi, middle deltoid, and biceps brachii. In addition, 24 anthropometric items, such as height, length, circumference, and width, and 19 items, such as body surface length and vertical distance between points at the EMG electrode attachment point, were measured in three dimensions to design the location of the EMG electrode. Furthermore, this study designed the electrode position through the analysis of 3D measurement data, deriving the EMG measuring clothing's basic sloper making method. EMG measuring clothing's basic sloper was designed by referring to the four types of male basic sloper making methods for education and removing the ease allowance. In addition, a basic sloper with the best fit and appearance, and garment pressure was utilized through 3D virtual garment simulation fit and appearance and clothing pressure measurement. When designing the pattern, the dimensions of height 176 cm, chest circumference 100 cm, and waist circumference 83 cm were used regarding the average body size of men in their 20s and 30s. The designed EMG measuring clothing's basic sloper reduced the pattern in consideration of the elongation rate of the material, and the clothing was designed considering human activity and garment pressure. The validity of the EMG measuring clothing in this study was verified by comparing and analyzing the EMG signal measured through disposable electrodes and EMG measuring clothing worn by the subject. Overall, the process of developing EMG measuring clothing through 3D measurement data analysis was derived. The results of this study are as follows. First, to design the EMG electrode location, the distance between each EMG electrode attachment point of the upper trapezius, pectoralis major, latissimus dorsi, middle deltoid, and biceps brachii and adjacent anthropometric points were measured by height, chest circumference, waist circumference, waist back length, and shoulder. The relationship with body parameters such as breadth was analyzed, and the location was derived. As a result, the position of the upper trapezius was determined from the cervical and lateral shoulder using shoulder length. The position of the pectoralis major was designed from the anterior waist using the front-neck point to the waist, and the position of latissimus dorsi was designed from the cervical using the waist back length. Middle deltoid and biceps brachii appeared unaffected by body parameters, so the location was designed using the average value of 3D measurement data. Second, to design a male bodice sloper with an EMG electrode attached point, a 3D virtual garment simulation was performed on four types of bodice slopers for educational purpose, and fit and appearance, and clothing pressure was compared and analyzed. A fitted sloper without an ease allowance was designed by referring to the basic sloper with better garment pressure to the chest and waist, and the pattern was reduced by reflecting the physical characteristics of the material. Third, based on the reduced EMG measuring clothing basic sloper, a pattern that enhances the activity and garment pressure of the human body was designed. Two electrodes for EMG signal measurement were attached to each muscle using a conductive sheet, and basic sloper electrodes of 20 mm were designed at intervals of 30 mm. Fourth, the results show that valid signals can be measured through EMG measuring clothing. As a result of analyzing the EMG signal measured through the EMG measuring clothing, significant correlations were shown with chest circumference, waist circumference, and upper-drop (the difference between chest and waist circumference) in pectoralis major and latissimus dorsi. The middle deltoid showed a significant correlation with upper-arm circumference. When wearing the EMG measuring clothing, it was confirmed that the larger the chest circumference in the pectoralis major, the larger the waist circumference in the latissimus dorsi, and the larger the upper-arm circumference in the middle deltoid, the more effective signals can be measured. As a result of analyzing the relationship with somatotypes, those with a large waist, a large chest circumference, and a low upper-drop (the difference between chest and waist circumference) were capable of accurate signal measurement. This study developed a design process for developing EMG measuring clothing using 3D measurement data. The process is as follows: First, acquire 3D measurement data for the aimed muscle points to collect EMG signals; Second, use the collected 3D measurement data to design the location of EMG electrodes through correlation analysis and regression analysis with body parameters; Third, design the top and bottom fitted slopers according to the location of the selected muscle, and reduce the pattern according to the elongation rate of the material; Fourth, design EMG measuring clothing considering the location of the electrodes and the garment pressure and activity of the human body. This study could further establish a standard design process for developing EMG measuring clothing when the number of target muscles is expanded, including the five selected muscles.